Способ получения меркаптанов путем ферментативного гидрогенолиза дисульфидов с помощью водорода
Изобретение относится к способу получения меркаптанов из дисульфидов и водорода путем ферментативного катализа, включающий следующие стадии: a) приготовление смеси, содержащей: 1) дисульфид формулы R-S-S-R', где R и R', одинаковые или разные, независимо друг от друга означают линейный, разветвленный или циклический углеводородный радикал, содержащий от 1 до 20 атомов углерода, причем указанная цепь является насыщенной или имеет одну или несколько ненасыщенностей в форме двойных или тройных связей, и при этом R и R' могут также образовывать друг с другом и вместе с атомами серы, с которыми они связаны, циклическую молекулу, содержащую от 4 до 22 атомов, предпочтительно от 5 до 10 атомов, 2) каталитическое количество аминокислоты, содержащей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу, 3) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление дисульфидного мостика, образованного между двумя эквивалентами указанной аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или указанного пептида, содержащего тиоловую группу, 4) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление водорода, 5) каталитическое количество кофактора (кофермента), общего для двух ферментов, катализирующих восстановление и дегидрирование, b) добавление водорода с каталитическим количеством фермента водород-дегидрогеназы, c) проведение ферментативной реакции, d) выделение меркаптана формулы R-SH и меркаптана формулы R'-SH, e) необязательно, разделение и, необязательно, очистка меркаптана формулы R-SH и/или меркаптана формулы R'-SH. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.
Настоящее изобретение относится к способу получения меркаптанов, в частности, метилмеркаптана, путем ферментативного катализа дисульфидов, в частности, диметилдисульфида, с использованием водорода.
Меркаптаны широко применяются во множестве областей, например, как пахучие вещества, одоранты для газов, как агенты передачи цепи в полимеризации, как сырье для фармацевтической или косметической промышленности, для синтеза антиоксидантов, противозадирных или антифрикционных присадок для смазок. Эти примеры ни в коей мере не ограничивают применение меркаптанов, известных к настоящему времени и которые могут быть получены способом по изобретению.
В частности, первый из меркаптанов, метилмеркаптан (CH3SH), представляет большой промышленный интерес, в частности, как сырье для синтеза метионина - незаменимой аминокислоты, очень широко использующейся в кормах для животных. Метилмеркаптан также является исходным материалом, широко применяющимся для синтеза многих других молекул.
Меркаптаны можно синтезировать многими способами, такими, как сульфогидратация спиртов, каталитическое или фотохимическое присоединение сероводорода к ненасыщенным органическим соединениям, замещение с помощью сероводорода галогенидов, эпоксидов или органических карбонатов, и др.
В частности, метилмеркаптан обычно получают в крупнотоннажной промышленности из метанола и сероводорода по реакции (1):
| CH3OH+H2S → CH3SH+H2O | (1) |
Недостатками этих способов является то, что они требуют метанола (CH3OH), синтеза сероводорода (H2S, например, из водорода и серы, что также требует синтеза водорода) и приводят к образованию побочных продуктов типа простого диметилового эфира (CH3OCH3), диметилсульфида (CH3SCH3), продуктов крекинга и воды, что подразумевает множество стадий очистки метилмеркаптана.
Описание способов, основанных на этих реакциях, можно найти, например, в таких патентных заявках как WO2013092129, WO2008118925, WO2007028708, WO2006015668 и WO2004096760.
Может быть экономически выгодным (чтобы избежать синтеза метанола) получать метилмеркаптан из моноксида углерода, водорода и сероводорода, согласно следующей схеме синтеза (2):
| CO+2H2+H2S → CH3SH+H2O | (2) |
Однако недостатками этих способов является то, что они требуют синтез-газа (CO/H2) и, следовательно, осуществления парового риформинга углеводородного источника, наличия надлежащих соотношений между CO и H2, то есть должна иметься возможность корректировать отношение CO/H2 посредством реакции, известной как "реакция сдвига фаз водяного газа" (CO+H2O → CO2+H2), а также требуют синтеза H2S.
Эти способы также обычно ведут к образованию больших количеств CO2 как побочного продукта, а также к образованию метана, диметилсульфида и воды. Описание этих способов можно найти, например, в таких патентных заявках как US2010/286448, US2010/094059, US2008/293974, US2007/213564.
Были описаны и другие способы, комбинирующие различные реакции, такие, как:
- образование CS2 и H2S из метана и серы:
| CH4+4S → CS2+2H2S | (3) |
- гидрирование CS2:
| CS2+3H2 → CH3SH+H2S | (4) |
Можно также использовать избыток H2S из реакций (3) и (4) в реакциях с метанолом (реакция 1) или с синтез-газом (реакция 2), чтобы снова получить метилмеркаптан.
Очевидно, что эти способы сочетают недостатки, описанные для реакций (1) и (2), с дополнительной сложностью в виде необходимости иметь избыток водорода для осуществления реакции (4). Описания этих способов можно найти в патентной заявке US2011/015443, или, более конкретно для реакции (4), в заявке WO2010046607.
В заявке WO200196290 предлагается способ синтеза метилмеркаптана напрямую из метана и H2S с одновременным получением водорода. Эту прямую реакцию между метаном и H2S осуществляют с помощью пульсирующей плазмы с коронным разрядом. Так как эта заявка не описывает никаких примеров синтеза, сложно представить себе крупномасштабный промышленный процесс синтеза метилмеркаптана по этой технологии. Кроме того, этот способ требует синтеза H2S, если он недоступен.
Со своей стороны, в патентной заявке EP0649837 предлагается способ синтеза метилмеркаптана каталитическим гидрогенолизом с сульфидами переходных металлов, диметилдисульфидом и водородом. Хотя этот способ является эффективным, он требует довольно высоких температур, порядка 200°C, чтобы достичь экономически выгодного уровня производительности.
Специалисты известно также, что получить метилмеркаптан можно путем подкисления водного раствора метилмеркаптида натрия (CH3SNa). Основным недостатком этого способа является получение больших количеств солей, таких как хлорид натрия или сульфат натрия, в зависимости от того, используется ли соляная или серная кислота. Эти водные растворы соли часто очень сложно очистить, и следовые количества оставшихся зловонных продуктов заставляют предполагать, что этот способ вряд ли может быть осуществим в промышленном масштабе.
Способы синтеза меркаптанов выше, чем метилмеркаптан, также имеют множество недостатков. Так, замещение спиртов сероводородом требует высоких температур и часто высоких давлений, и ведет к нежелательным побочным продуктам типа олефинов, простых эфиров и сульфидов.
Каталитическое или фотохимическое присоединение сероводорода к ненасыщенным соединениям часто протекает в чуть более мягких условиях, чем указанные выше, но также ведет к многочисленным побочным продуктам, образующимся в результате изомеризации исходного материала, нерегиоселективного присоединения или двойного присоединения, что приводит к сульфидам. Наконец, способы замещения галогенированных производных создают большие количества отходов и солесодержащих загрязняющих веществ, что сложно совместить с промышленными процессами.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить новый способ получения меркаптанов, в частности, метилмеркаптана, который не имеет описанных недостатков известных способов предшествующего уровня, подробно описанных выше.
Более конкретно, первым объектом настоящего изобретения является способ получения меркаптана формулы R-SH, включающий по меньшей мере следующие стадии:
a) приготовление смеси, содержащей:
1) дисульфид формулы R-S-S-R',
2) каталитическое количество аминокислоты, содержащей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
3) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление дисульфидного мостика, образованного между двумя эквивалентами указанной аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или указанного пептида, содержащего тиоловую группу,
4) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление водорода,
5) каталитическое количество кофактора, общего для двух ферментов, катализирующих восстановление и дегидрирование,
b) добавление водорода,
c) проведение ферментативной реакции,
d) выделение меркаптана формулы R-SH и меркаптана формулы R'-SH,
e) разделение меркаптана формулы R-SH и/или меркаптана формулы R'-SH и, необязательно, очистка.
Фермент, катализирующий восстановление водорода, может быть ферментом любого типа, известным специалистам в данной области, например, ферментом водород-дегидрогеназой.
Вообще говоря, фермент, катализирующий восстановление дисульфидного мостика, образованного между двумя эквивалентами указанной аминокислоты, содержащей тиоловую группу, или указанного пептида, содержащего тиоловую группу, является ферментом редуктазой. Термин "редуктаза" используется далее в описании для пояснения настоящего изобретения.
Из кофакторов, общих для двух ферментов, катализирующих восстановление и дегидрирование (редуктаза и дегидрогеназа), в качестве неограничивающих примеров можно упомянуть флавиновые кофакторы и никотиновые кофакторы. Предпочтительно использовать никотиновые кофакторы, более конкретно, никотинамид аденин динуклеотид (NAD) или, еще лучше, никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADPH). Перечисленные выше кофакторы используются преимущественно в их восстановленных формах (например NADPH,H+) и/или в их оксидных формах (например NADP+), то есть они могут добавляться в реакционную среду в их восстановленной и/или оксидных формах.
В одном варианте осуществления изобретения аминокислота, содержащая тиоловую группу, и/или пептид, содержащий тиоловую группу, могут находиться в форме дисульфида указанной аминокислоты и/или указанного пептида, соответственно (например, глутатион в форме глутатион дисульфида).
Структура и порядок добавления различных компонентов на определенных выше технологических стадиях a) и b), могут быть реализованы по-разному. Во всех случаях ферментативная реакция на стадии c) запускается добавлением одного из компонентов каталитической системы: фермента, или одного из соединений, добавляемых в стехиометрическом количестве (дисульфид или водород), или одного из соединений, добавляемых в каталитическом количестве (аминокислота, содержащая тиоловую группу, или пептид, содержащий тиоловую группу, или дисульфид, соответствующий указанным молекулам, или же кофактор).
Еще более конкретно, объектом настоящего изобретения является способ получения меркаптана формулы R-SH, включающий по меньшей мере следующие стадии:
a') приготовление смеси, содержащей:
- дисульфид формулы R-S-S-R',
- каталитическое количество аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
- каталитическое количество фермента редуктазы, соответствующего указанной аминокислоте, содержащей тиоловую группу, или указанному пептиду, содержащему тиоловую группу,
- каталитическое количество NADPH,
b') добавление водорода с каталитическим количеством фермента водород-дегидрогеназы,
c') проведение ферментативной реакции,
d') выделение меркаптана формулы R-SH и меркаптана формулы R'-SH,
e') разделение меркаптана формулы R-SH и/или меркаптана формулы R'-SH и, необязательно, очистка.
В контексте настоящего изобретения в способе получения меркаптана можно использовать любой дисульфид, соответствующий общей формуле R-S-S-R'. В общей формуле R-S-S-R' радикалы R и R', одинаковые или разные, независимо друг от друга означают линейный, разветвленный или циклический углеводородный радикал, содержащий от 1 до 20 атомов углерода, причем указанная цепь является насыщенной или имеет одну или несколько ненасыщенностей в форме двойных или тройных связей. R и R' способны также образовать друг с другом и вместе с атомами серы, с которыми они связаны, циклическую молекулу, содержащую от 4 до 22 атомов, предпочтительно от 5 до 10 атомов.
В одном предпочтительном аспекте радикалы R и R', одинаковые или разные, независимо друг от друга выбраны из линейных или разветвленных, насыщенных или ненасыщенных алкильных, циклоалкильных, арильных, алкиларильных или арилалкильных радикалов, содержащих от 1 до 20 атомов углерода, предпочтительно от 1 до 12 атомов углерода, еще более предпочтительно от 1 до 6 атомов углерода и, необязательно, функционализированы одной или более функциональными группами, выбранными из спиртовой, альдегидной, кетоновой, кислотной, амидной, нитрильной или сложноэфирной групп или же из групп, содержащих серу, фосфор, кремний или галоген.
Дисульфид формулы R-S-S-R' способен восстанавливаться, в соответствии со способом по изобретению, до меркаптана формулы R-SH и меркаптана формулы R' SH. Кога R и R' разные, говорят об асимметричных дисульфидах, а когда R и R' одинаковы, дисульфиды называются симметричными. В случае симметричных дисульфидов R-S-S-R предлагаемый изобретением способ ведет к меркаптану формулы R-SH. В одном особенно предпочтительном аспекте изобретения диметилдисульфид (DMDS) используется с целью получения метилмеркаптана CH3SH.
В случае асимметричных дисульфидов R-S-S-R' способ по изобретению приводит к смеси меркаптанов формул R-SH и R'-SH, которую можно использовать как есть или подвергнуть одной или более операциям разделения, хорошо известным специалистам, например, перегонке.
В способе согласно изобретению можно также использовать смеси одного или нескольких симметричных и/или асимметричных дисульфидов. Возможные смеси дисульфидов могут включать DSO (от английского disulphide oils, дисульфидные масла), тем самым, указанные DSO имеют очень выгодный потенциал применения.
В способе по изобретению полученные меркаптаны обычно выделяют в твердой, жидкой и/или газообразной форме.
Способ получения согласно изобретению основан на ферментативном восстановлении дисульфидов, в частности, диметилдисульфида, водородом в соответствии со следующей реакцией, проиллюстрированной на примере диметилдисульфида, приводящего к метилмеркаптану:
CH3SSCH3+H2 → 2CH3SH
Теперь же было обнаружено, что эта реакция легко катализируется ферментативной системой, использующей аминокислоту, содержащую тиоловую группу, или пептид, содержащий тиоловую группу, например, глутатион, в форме комплекса "(аминокислота или пептид)/соответствующий фермент редуктаза", регенерируемого водородом", как показано на прилагаемой фигуре 1.
Так, согласно иллюстрации на фигуре 1, пептид (в показанном примере глутатион) восстанавливает дисульфид (на фигуре DMDS) до меркаптана (на фигуре метилмеркаптан), превращаясь в пептид с дисульфидным мостиком (в данном случае глутатион дисульфид). Фермент редуктаза (в данном случае глутатион редуктаза, EC 1.8.1.7 или EC 1.6.4.2) регенерирует пептид (глутатион), и этот же фермент регенерируется окислительно-восстановительным ферментативным комплексом, хорошо известным специалисту, например, комплексом NADPH/NADP+ (никотинамид аденин динуклеотид фосфат (восстановленная форма и оксидная форма)). В свою очередь, NADP+ регенерируется до NADPH с помощью фермента водород-дегидрогеназа (EC 1.12.1.5) посредством водорода. Протоны, высвобождаемые водородом, не накапливаются, так как они реагирует с глутатион-редуктазой, что дает HS-R-S- после реакции с NADPH, и образованная меркаптидная группа превращается в меркаптановую группу.
Другими словами, пептид (в данном случае глутатион) восстанавливает дисульфид (в данном случае DMDS) до меркаптана (в данном случае до метилмеркаптана), превращаясь в пептид с дисульфидным мостиком (в показанном примере глутатион дисульфид). Фермент, катализирующий восстановление (в представленном случае глутатион-редуктаза, например, фермент с классификационным номером EC 1.8.1.7 или EC 1.6.4.2) регенерирует пептид (глутатион), окисляя кофактор (в показанном примере NADPH,H+). Оксидную форму (здесь NADP+) восстанавливают затем посредством так называемого "рециркулирующего" окислительно-восстановительного ферментативного комплекса, хорошо известного специалисту и содержащего соответствующий фермент дегидрогеназу (в данном случае водород-дегидрогеназу, например, с классификационным номером EC 1.1.1.47) и водород. Протоны, высвобождаемые водородом, не накапливаются, так как они реагируют напрямую с меркаптидной группой, образованной в реакции, катализируемой используемым ферментом редуктазой.
Согласно одному наиболее подходящему варианту осуществления, система глутатион/дисульфид глутатиона в сочетании с ферментом глутатион-редуктазой позволяет, в соответствии с настоящим изобретением, восстановить DMDS до метилмеркаптана.
Глутатион является трипептидом, широко применяющимся в биологии. В восстановленной (глутатион) или в оксидной (глутатион дисульфид) форме это вещество образует важную окислительно-восстановительную пару в клетках. Так, глутатион жизненно необходим для удаления тяжелых металлов из организма. Например, в заявке WO05107723 описывается композиция, в которой глутатион используется для получения хелатообразующего препарата, а в патенте US4657856 указывается, что глутатион позволяет также разложить перекиси, такие как H2O2, на H2O посредством глутатион-пероксидазы. Наконец, глутатион позволяет также восстановить дисульфидные мостики, присутствующие в белках (Rona Chandrawati, "Triggered Cargo Release by Encapsulated Enzymatic Catalysis in Capsosomes", Nano Lett., (2011), vol. 11, 4958-4963).
В соответствии со способом по изобретению, используется каталитическое количество аминокислоты, содержащей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу, чтобы получить меркаптаны из дисульфидов.
Из содержащих тиоловую группу аминокислот, подходящих для применения в способе согласно настоящему изобретению, можно назвать в качестве неограничивающих примеров цистеин и гомоцистеин. В этих случаях использующиеся окислительно-восстановительные ферментативные системы, которые могут регенерировать каталитический цикл точно так же, представляют собой систему цистеин/цистин-редуктаза EC 1.8.1.6 и гомоцистеин/гомоцистеин-редуктаза.
Из пептидов, содержащих тиоловую группу, подходящих для применения в способе согласно настоящему изобретению, можно назвать в качестве неограничивающих примеров глутатион и тиоредоксин. Таким образом, описанную выше систему глутатион/глутатион-редуктаза, можно заменить системой тиоредоксин (CAS No. 52500-60-4)/тиоредоксин-редуктаза (EC 1.8.1.9 или EC 1.6.4.5).
Глутатион и система глутатион/глутатион-редуктаза являются наиболее предпочтительными для настоящего изобретения из соображений стоимости этих соединений и легкости их приобретения.
В способе согласно изобретению водород можно добавлять в реакционную среду любыми средствами, известными специалисту, например, путем барботирования в реакционной среде, которая предпочтительно является водно-органической реакционной средой. Давление водорода в реакторе соответствует давлению самой реакционной среды, которая будет определена ниже.
В качестве фермента используется водород-дегидрогеназа, которая также хорошо известна специалистам в данной области.
В способе согласно изобретению только дисульфиды и водород используются в стехиометрическом количестве, а все другие компоненты (аминокислота или пептид, кофактор (например, NADPH) и два фермента) используются в каталитических количествах.
Предлагаемый изобретением способ имеет множество преимуществ. Из этих преимуществ можно назвать возможность работать в водном или водно-органическом растворе, в очень мягких условиях по температуре и давлению и в условиях pH, близким к нейтральным. Все эти условия являются типичными для "зеленого" или "экологически устойчивого" биокаталитического процесса.
Другим преимуществом, когда в способе используется диметилдисульфид, является то, что полученный метилмеркаптан, который в условиях реакции находится в газообразном состоянии, выходит из реакционной среды по мере образования, возможно вместе с непрореагировавшим водородом. Таким образом, метилмеркаптан можно использовать сразу же по выходе из реактора, в месте, находящемся ниже по потоку, если непрореагировавший водород не препятствует этому. В ином случае специалист будет способен легко отделить непрореагировавший водород от метилмеркаптана. Его можно также легко перевести в жидкое состояние криогенными способами, если, например, желательно выделить его.
Диметилдисульфид (DMDS) можно получать в другом месте, например, из метилмеркаптана и окислителя, такого как кислород, сера или перекись водорода, или же из диметилсульфата и дисульфида натрия. DMDS можно также получить из такого источника как дисульфидные масла (DSO), как указано выше, а затем очистить, например, путем реактивной дистилляции, как описано в заявке WO2014033399. Следует отметить, что DSO можно также использовать как есть, без необходимости разделения на различные содержащиеся в этих маслах дисульфиды. В таком случае, применяя способ согласно изобретению, получают смесь меркаптанов.
Когда в качестве дисульфида используется DMDS, способ по изобретению можно рассматривать как способ, позволяющий избежать транспортировки метилмеркаптана из места его получения существующими промышленными путями к месту его применения, если они отличаются. Действительно, при комнатной температуре метилмеркаптан является токсичным и очень дурно пахнущим газом, что значительно усложняет его транспортировку, которая уже строго регламентирована, в отличие от перевозки DMDS. Следовательно, способ, описанный в настоящем изобретении, можно применять для получения метилмеркаптана непосредственно на месте его позднейшего применения.
Так как DMDS расходуется в реакции, а метилмеркаптан покидает реакционную среду по мере его образования, без водорода или с непрореагировавшим водородом, при непрерывной подаче водород и DMDS в реакционной среде не будет накапливаться никакого продукта. Таким образом, необходимо возвращать каталитическую систему, в отличие от продуктов, которые входят и выходят из реактора.
В случае других дисульфидов, в зависимости от точки кипения образованного меркаптана и его растворимости в реакционной среде, меркаптан можно факультативно осаждать из реакционной среды, чтобы легко отделить методами, хорошо известными специалистам. В ином случае его можно выделить из реакционной среды, также любым способом, известным специалисту.
Обычно реакционная температура лежит в интервале от 10°C до 50°C, предпочтительно от 15°C до 45°C, более предпочтительно от 20°C до 40°C.
Величина pH при реакции может составлять от 6 до 8,5, предпочтительно от 7,0 до 8,0. pH реакционной среды можно корректировать с помощью буфера. В высшей степени предпочтительно выбирать pH забуференной среды в интервале от 7,5 до 8,0.
Давление, применяющееся при реакции, может варьироваться от давления ниже атмосферного до нескольких бар (нескольких сотен кПа), в зависимости от используемых реагентов и оборудования. Предпочтительно использовать давление в интервале от атмосферного давления до 20 бар (2МПа), еще более предпочтительно работать при давлении от атмосферного до 3 бар (300 кПа).
Способ согласно изобретению можно осуществлять в периодическом или в непрерывном режиме, в стеклянном или металлическом реакторе в зависимости от выбранных рабочих условий и используемых реагентов. Предпочтительно выбирать полунепрерывный режим, при котором водород добавляется по мере его расхода в реакции.
Идеальным мольным отношением водород/дисульфид является стехиометрическое (мольное отношение=1), но его можно варьировать от 0,01 до 100, если специалист посчитает это чем-то выгодным, например, непрерывное добавление водорода, в то время как дисульфид вводится в реактор с самого начала. Предпочтительно выбирать это мольное отношение так, чтобы оно составляло от 1 до 20 на всем масштабе реакции.
Непрореагировавший водород можно возвращать с выхода на вход реактора, пока он полностью не исчерпается. Можно также предусмотреть контур рециркуляции с водородом и образованным меркаптаном(ами), пока водород не превратится полностью в дисульфиды. В результате в конце реакции, когда прореагирует весь диметилдисульфид, выходящие газы будут содержать почти исключительно метилмеркаптан.
Компоненты, присутствующие в каталитических количествах в смеси, приготовленной на вышеописанной стадии a) (аминокислота, содержащая тиоловую группу или пептид, содержащий тиоловую группу, фермент редуктаза, кофактор (например, NADPH)) легко доступны для приобретения или могут быть получены методами, хорошо известными специалисту. Эти разные компоненты могут находиться в твердой или жидкой форме, для применения в способе согласно изобретению очень предпочтительно растворить их в воде. Использующие ферменты могут быть также привиты на подложку (в случае нанесенных ферментов).
Водный раствор ферментативного комплекса, содержащего аминокислоту или пептид, также может быть восстановлен способами, известными специалисту, например, путем пермеабилизации клеток, которые содержат эти элементы. Этот водный раствор, состав которого приведен в следующем примере 1, может использоваться в весовом содержании от 0,01% до 20% от полного веса реакционной среды. Предпочтительным является содержание от 0,5% до 10%.
В другом аспекте настоящее изобретение относится к применению водного раствора ферментативного комплекса, содержащего имеющую тиоловую группу аминокислоту, какая определена выше, или содержащий тиоловую группу пептид, определен выше, для синтеза меркаптана из дисульфида.
Смесь, которая может использоваться для стадии a) описанного выше способа и которая содержит:
1) дисульфид формулы R-S-S-R',
2) каталитическое количество аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
3) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление дисульфидного мостика, образованного между двумя эквивалентами указанной аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или указанного пептида, содержащего тиоловую группу,
4) необязательно, каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление водорода,
5) каталитическое количество кофактора, общего для двух ферментов, катализирующих восстановление и дегидрирование,
6) и, необязательно водород,
где R и R' такие, как определено выше,
является новой и в силу этого составляет часть настоящего изобретения.
В одном варианте осуществления изобретения аминокислота, содержащая тиоловую группу, и/или пептид, содержащий тиоловую группу, может находиться в форме дисульфида указанной аминокислоты и/или указанного пептида, соответственно. В еще одном варианте осуществления кофактор представляет собой NADPH в его оксидной форме (NADP+) или в его восстановленной форме (NADPH,H+).
Более конкретно, указанная смесь содержит:
- дисульфид формулы R-S-S-R',
- каталитическое количество аминокислоты, содержащей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
- каталитическое количество фермента редуктазы, соответствующей указанной аминокислоте, содержащей тиоловую группу, или указанному пептиду, содержащему тиоловую группу, и
- каталитическое количество NADPH,
причем R и R' такие, как определено выше.
Изобретение станет более понятным из следующих примеров, не ограничивающих объем изобретения. Все эксперименты, представленные ниже, проводились в анаэробных условиях.
Пример 1
В реактор, содержащий 150 мл водного раствора, доведенного буфером до pH 7,8, вводят 10 мл глутатионового ферментативного комплекса. Раствор ферментативного комплекса содержит: 185 мг (0,6 ммоль) глутатиона, 200 U глутатион-редуктазы, 50 мг (0,06 ммоль) NADPH и 200 U фермента водород-дегидрогеназы. Реакционную среду нагревают до 35°C при механическом перемешивании. Первый образец отбирают при t=0. Затем в бюретку помещают диметилдисульфид (9,4 г, 0,1 моль) и добавляют по каплям в реактор. Одновременно в реактор путем барботирования вводят поток водорода расходом 4 л/ч (измерено при нормальных условиях по температуре и давлению). Реакцию проводят при атмосферном давлении. Газохроматографический анализ газов, выходящих их реактора, показывает присутствие почти исключительно водорода и метилмеркаптана (некоторые следы воды). Эти выходящие газы улавливают в 20%-ный водный раствор гидроксида натрия. DMDS и водород (мольное отношение водород/DMDS в продолжение всей реакции равно 10,7) вводят в течение 6 часов, и реакцию отслеживают методом аргентометрии с потенциометрическим титрованием натриевой соли метилмеркаптана в ловушке на выходе из реактора. Окончательный анализ показывает, что DMDS количественно превратился в метилмеркаптан. Кроме того, окончательный газохроматографический анализ реакционной среды подтверждает отсутствие DMDS и метилмеркаптана, который был выведен из реактора избытком водорода.
Пример 2
В реакционную среду из примера 1 по каплям снова вводят 9,4 г (0,1 моль) DMDS в течение 6 часов, но на этот раз вводят поток водорода с расходом всего 1 л/ч, также в течение 6 часов (мольное отношение водород/DMDS в течение всей реакции равно 2,7). Реакцию отслеживают как в примере 1, после замены 20%-ного раствора гидроксида натрия на выходе реактора. Анализ, проведенный в конце реакции, подтвердил полное исчезновение DMDS, полностью превратившегося в метилмеркаптан, находящийся в форме натриевой соли в растворе гидроксида натрия. Этот пример показывает надежность каталитической системы благодаря ее воспроизводимости, а также показывает, что можно работать при мольных отношениях водород/DMDS, близких к стехиометрическому.
Пример 3
В реактор, содержащий 70 мл водного раствора, доведенного буфером до pH 6,8, вводят 10 мл глутатионового ферментативного комплекса. Раствор ферментативного комплекса содержит: 200 мг (0,65 ммоль) глутатиона, 500 U глутатион-редуктазы, 100 мг (0,12 ммоль) NADPH и 50 U водород-дегидрогеназы. Последняя получена из культуры микроорганизмов (согласно Biller и др., "Fermentation Hyperthermophiler Mikroorganismen am Beispiel von Pyrococcus Furiosus", Shaker Verlag, Maastricht/Herzogenrath, 2002), используя методы, хорошо известные специалисту.
Реакционную среду нагревают до 35°C при механическом перемешивании. Первый образец отбирают при t=0. Затем с помощью шприца добавляют 20 г (0,22 ммоль) диметилдисульфида.
Одновременно в реакционную среду путем барботирования вводят поток водорода с расходом 4 л/ч (измерено при нормальных условиях по температуре и давлению). Реакцию проводят при атмосферном давлении.
Газохроматографический анализ газов, выходящих их реактора, показывает присутствие почти исключительно водорода, азота и метилмеркаптана (некоторые следы воды). Эти выходящие газы улавливают в водный раствор гидроксида натрия концентрацией 20 вес.%. DMDS и водород (мольное отношение водород/DMDS в продолжение всей реакции равно 4,9) вводят в течение 6 часов, и реакцию отслеживают методом аргентометрии с потенциометрическим титрованием натриевой соли метилмеркаптана в ловушке на выходе реактора.
Окончательный анализ показывает, что DMDS количественно превратился в метилмеркаптан. Кроме того, окончательный газохроматографический анализ реакционной среды подтверждает отсутствие DMDS и метилмеркаптана, который был выведен из реактора избытком водородом.
1. Способ получения меркаптана формулы R-SH, включающий по меньшей мере следующие стадии:
a) приготовление смеси, содержащей:
1) дисульфид формулы R-S-S-R', где R и R', одинаковые или разные, независимо друг от друга означают линейный, разветвленный или циклический углеводородный радикал, содержащий от 1 до 20 атомов углерода, причем указанная цепь является насыщенной или имеет одну или несколько ненасыщенностей в форме двойных или тройных связей, и при этом R и R' могут также образовывать друг с другом и вместе с атомами серы, с которыми они связаны, циклическую молекулу, содержащую от 4 до 22 атомов, предпочтительно от 5 до 10 атомов,
2) каталитическое количество аминокислоты, содержащей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
3) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление дисульфидного мостика, образованного между двумя эквивалентами указанной аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или указанного пептида, содержащего тиоловую группу,
4) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление водорода,
5) каталитическое количество кофактора (кофермента), общего для двух ферментов, катализирующих восстановление и дегидрирование,
b) добавление водорода с каталитическим количеством фермента водород-дегидрогеназы,
c) проведение ферментативной реакции,
d) выделение меркаптана формулы R-SH и меркаптана формулы R'-SH,
e) необязательно, разделение и, необязательно, очистка меркаптана формулы R-SH и/или меркаптана формулы R'-SH.
2. Способ по п. 1, включающий по меньшей мере следующие стадии:
a') приготовление смеси, содержащей:
- дисульфид формулы R-S-S-R',
- каталитическое количество аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
- каталитическое количество фермента редуктазы, соответствующей указанной аминокислоте, содержащей тиоловую группу, или указанному пептиду, содержащему тиоловую группу,
- каталитическое количество NADPH,
b') добавление водорода с каталитическим количеством фермента водород-дегидрогеназы,
c') проведение ферментативной реакции,
d') выделение меркаптана формулы R-SH и меркаптана формулы R'-SH,
e') разделение и, необязательно, очистка меркаптана формулы R-SH и/или меркаптана формулы R'-SH.
3. Способ по п. 1 или 2, где радикалы R и R', одинаковые или разные, выбраны независимо друг от друга из линейных или разветвленных, насыщенных или ненасыщенных алкильных, циклоалкильных, арильных, алкиларильных или арилалкильных радикалов, содержащих от 1 до 20 атомов углерода, предпочтительно от 1 до 12 атомов углерода, еще более предпочтительно от 1 до 6 атомов углерода, и, необязательно, функционализированы одной или несколькими функциональными группами, выбранными из спиртовой, альдегидной, кетоновой, кислотной, амидной, нитрильной или сложноэфирной групп или из других групп, содержащих серу, фосфор, кремний или галоген.
4. Способ по любому из предыдущих пунктов, где дисульфид формулы R-S-S-R' является диметилдисульфидом.
5. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем аминокислота, содержащая тиоловую группу, или пептид, содержащий тиоловую группу, выбраны из цистеина, гомоцистеина, глутатиона и тиоредоксина.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, где водород вводят в реакционную среду путем барботирования.
7. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем pH реакционной среды составляет от 6 до 8,5, предпочтительно от 7,0 до 8,0.
8. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем мольное отношение водород/дисульфид составляет от 0,01 до 100, предпочтительно от 1 до 20 в продолжение всей реакции.
9. Применение водного раствора ферментативного комплекса, содержащего аминокислоту, имеющую тиоловую группу, или пептида, имеющего тиоловую группу, для синтеза меркаптана из дисульфида способом по любому из пп. 1-8.
10. Смесь, пригодная для получения меркаптанов, содержащая:
1) дисульфид формулы R-S-S-R',
2) каталитическое количество аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
3) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление дисульфидного мостика, образованного между двумя эквивалентами указанной аминокислоты, имеющей тиоловую группу, или указанного пептида, содержащего тиоловую группу,
4) каталитическое количество фермента, катализирующего восстановление водорода,
5) каталитическое количество кофактора, общего для двух ферментов, катализирующих восстановление и дегидрирование,
6) и, необязательно, водород,
причем R и R' являются такими, как определено в п. 1.
11. Смесь по п. 10, содержащая:
- дисульфид формулы R-S-S-R',
- каталитическое количество аминокислоты, содержащей тиоловую группу, или пептида, содержащего тиоловую группу,
- каталитическое количество фермента редуктазы, соответствующей указанной аминокислоте, содержащей тиоловую группу, или указанному пептиду, содержащему тиоловую группу, и
- каталитическое количество NADPH,
причем R и R' являются такими, как определено в п. 1.
